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专题87电磁感应中图像问题(原卷版+解析版)-2023届高考物理一轮复习知识点精讲与最新高考题模拟题同步训练
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2023高考一轮知识点精讲和最新高考题模拟题同步训练
第十五章 电磁感应
专题87 电磁感应中的图像问题
第一部分 知识点精讲
1、分析电磁感应中的图象问题的思路与方法
图象
类型
(1)各量随时间变化的图象:如Bt图象、φt图象、Et图象、It图象、Ft图象等
(2)各量随位移变化的图象:如Ex图象、Ix图象等
问题
类型
(1)由给定的电磁感应过程选出或画出相应的图象(画图象)
(2)由给定的有关图象分析电磁感应过程,求解相应的问题(用图象)
常用
规律
有关方向
的判断
左手定则、安培定则、右手定则、楞次定律
六类公式
(1)平均感应电动势E=n
(2)平动切割电动势E=Blv
(3)转动切割电动势E=Bl2ω
(4)闭合电路欧姆定律I=
(5)安培力F=BIl
(6)牛顿运动定律及运动学的相关公式等
常用
方法
排除法
定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化),特别是分析物理量的正负,以排除错误的选项
函数法
根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系,然后由函数关系对图象进行分析和判断
2、电磁感应中的图象问题三种类型
类型一 由已知的电磁感应过程选择有关图象
类型二 由已知的图象分析电磁感应过程
类型三 由某种图象分析判断其它图象
3、解答电磁感应中的图象问题的基本步骤
(1)明确图象的种类,即是Bt图还是Φt图,或者Et图、It图等;
(2)分析电磁感应的具体过程;
(3)用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系;
(4)结合安培力公式、法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出相应的函数关系式;
(5)根据函数关系式,进行数学分析,如分析斜率的变化、截距等;
(6)画出图象或判断选择图象,或解答有关问题。
第二部分 最新高考题精选
1. (2022高考河北)如图,两光滑导轨水平放置在竖直向下的匀强磁场中,一根导轨位于轴上,另一根由、、三段直导轨组成,其中段与轴平行,导轨左端接入一电阻。导轨上一金属棒沿轴正向以速度保持匀速运动,时刻通过坐标原点,金属棒始终与轴垂直。设运动过程中通过电阻的电流强度为,金属棒受到安培力的大小为,金属棒克服安培力做功的功率为,电阻两端的电压为,导轨与金属棒接触良好,忽略导轨与金属棒的电阻。下列图像可能正确的是( )
A. B.
C. D.
【参考答案】AC
【命题意图】本题考查电磁感应及其相关知识点。
【名师解析】
当导体棒从O点向右运动L时,即在时间内,在某时刻导体棒切割磁感线的长度
,(θ为ab与ad的夹角)
则根据法拉第电磁感应定律E=BLv0
根据闭合电路欧姆定律 ,可知回路电流均匀增加;
安培力
则F-t关系为抛物线,但是不过原点;安培力做功的功率
则P-t关系为抛物线,但是不过原点;电阻两端的电压等于导体棒产生的感应电动势,即
即图像是不过原点的直线;根据以上分析,可大致排除BD选项;
当在时间内,导体棒切割磁感线的长度不变,感应电动势E不变,感应电流I不变,安培力F大小不变,安培力的功率P不变,电阻两端电压U保持不变;
同理可判断,在时间内,导体棒切割磁感线长度逐渐减小,导体棒切割磁感线感应电动势E均匀减小,感应电流I均匀减小,安培力F大小按照二次函数关系减小,但是不能减小到零,与内是对称的关系,安培力的功率P按照二次函数关系减小,但是不能减小到零,与内是对称的关系,电阻两端电压U按线性均匀减小;综上所述选项AC正确,BD错误。
【一题多解】导轨上一金属棒沿轴正向以速度保持匀速运动,在0~L/v0时间内,金属棒有效切割长度均匀增大,回路中产生的感应电动势均匀增大,根据闭合电路欧姆定律可知,通过电阻的电流强度i均匀增大;在L/v0~2L/v0时间内,金属棒有效切割长度不变,回路中产生的感应电动势不变,根据闭合电路欧姆定律可知,通过电阻的电流强度i不变;在2L/v0~3L/v0时间内,金属棒有效切割长度均匀减小,回路中产生的感应电动势均匀减小,根据闭合电路欧姆定律可知,通过电阻的电流强度i均匀减小,所以运动过程中通过电阻的电流强度随时间变化的图像A可能正确;金属棒受到安培力的大小=BiL,金属棒开始运动时,金属棒所受安培力一定大于0,所以图像B错误;金属棒克服安培力做功的功率为=Fv0,图像C可能正确;根据欧姆定律,电阻两端的电压为U=IR,图像形状与图像A类似,所以图像D错误。
2.(多选)(2020·山东等级考)如图所示,平面直角坐标系的第一和第二象限分别存在磁感应强度大小相等、方向相反且垂直于坐标平面的匀强磁场,图中虚线方格为等大正方形。一位于Oxy平面内的刚性导体框abcde在外力作用下以恒定速度沿y轴正方向运动(不发生转动)。从图示位置开始计时,4 s末bc边刚好进入磁场。在此过程中,导体框内感应电流的大小为I,ab边所受安培力的大小为Fab,二者与时间t的关系图象可能正确的是( )
【参考答案】BC
【名师解析】第1 s内,ae边切割磁感线,由E=BLv可知,感应电动势不变,导体框总电阻一定,故感应电流一定,由安培力F=BIL可知,ab边所受安培力与ab边进入磁场的长度成正比。第2 s内,导体框切割磁感线的有效长度均匀增大,感应电动势均匀增大,感应电流均匀增大。第3~4 s内,导体框在第二象限内切割磁感线的有效长度保持不变,在第一象限内切割磁感线的有效长度不断增大,但两象限磁场方向相反,导体框的两部分感应电动势方向相反,所以第2 s末感应电动势达到最大,之后便不断减小;第3 s末与第1 s末,导体框切割磁感线的有效长度相同,可知第3 s末与第1 s末线框中产生的感应电流大小相等,但第3 s末ab边进入磁场的长度是第1 s末的3倍,即ab边所受安培力在第3 s末的大小等于第1 s末所受安培力大小的3倍。综上可知A、D错误,B、C正确。
3、 (2020·浙江7月选考)如图1所示,在绝缘光滑水平桌面上,以O为原点、水平向右为正方向建立x轴,在0≤x≤1.0 m区域内存在方向竖直向上的匀强磁场。桌面上有一边长L=0.5 m、电阻R=0.25 Ω的正方形线框abcd。当平行于磁场边界的cd边进入磁场时,正方形线框在沿x方向的外力F作用下以v=1.0 m/s的速度做匀速运动,直到ab边进入磁场时撤去外力。若以cd边进入磁场时作为计时起点,在0≤t≤1.0 s内磁感应强度B的大小与时间t的关系如图2所示,在0≤t≤1.3 s内线框始终做匀速运动。
(1)求外力F的大小;
(2)在1.0 s≤t≤1.3 s内存在连续变化的磁场,求磁感应强度B的大小与时间t的关系;
(3)求在0≤t≤1.3 s内流过导线横截面的电荷量q。
【名师解析】 (1)根据题图2可得t=0时B0=0.25 T
回路电流I=
安培力FA= v
外力F=FA=0.062 5 N。
(2)线框匀速出磁场,电流为0,磁通量不变,Φ1=Φ
t1=1.0 s时,B1=0.5 T,磁通量Φ1=B1L2
t时刻,磁通量Φ=BL[L-v(t-t1)]
联立得B=。
(3)0≤t≤0.5 s时电荷量q1==0.25 C
0.5 s≤t≤1.0 s电荷量q2==0.25 C
总电荷量q=q1+q2=0.5 C。
[答案] (1)0.062 5 N (2)B= (3)0.5 C
4.(多选)(2019·全国卷Ⅲ)如图,方向竖直向下的匀强磁场中有两根位于同一水平面内的足够长的平行金属导轨,两相同的光滑导体棒ab、cd静止在导轨上。t=0时,棒ab以初速度v0向右滑动。运动过程中,ab、cd始终与导轨垂直并接触良好,两者速度分别用v1、v2表示,回路中的电流用I表示。下列图象中可能正确的是( )
A B
C D
【参考答案】AC
【名师解析】导体棒ab向右运动,切割磁感线,产生感应电流(逆时针),导体棒ab受阻力F作用,速度减小,导体棒cd受安培力F′作用,速度变大。如图所示。由E=Blv知,感应电动势E随速度v的减小而减小,则感应电流非均匀变化。当两导体棒的速度相等时,回路上感应电流消失,两棒在导轨上以共同速度做匀速运动。根据系统的动量守恒,则mv0=2mv共,v共=,A对。导体棒cd受变力作用,加速度逐渐减小,其vt图象应该是曲线,B错。由前面分析知,两导体棒做变速运动,感应电流变小,最后为零,但非均匀变化,C对,D错。
5.(2018·全国卷Ⅱ)如图,在同一水平面内有两根平行长导轨,导轨间存在依次相邻的矩形匀强磁场区域,区域宽度均为l,磁感应强度大小相等、方向交替向上向下。一边长为l的正方形金属线框在导轨上向左匀速运动。线框中感应电流i随时间t变化的正确图线可能是( )
【参考答案】D
【名师解析】 设线路中只有一边切割磁感线时产生的感应电流为i,相应位移所对应电流如下表所示。
线框位移
等效电路的连接
电流
0~
I=2i(顺时针)
~l
I=0
l~
I=2i(逆时针)
~2l
I=0
综合分析知,选项D正确。
第三部分 最新模拟题精选
1. (2022山东临沂二模)如图所示,由粗细均匀的电阻丝制成的边长为l的正方形线框abcd,其总电阻为R,现使线框以水平向右的速度匀速穿过一宽度为2l、磁感应强度为B的匀强磁场区域,整个过程中ab、cd两边始终保持与磁场边界平行。令线框的ab边刚好与磁场左边界重合时t=0,。线框中a、b两点间电势差随线框ab边的位移x变化的图像正确的是( )
A. B.
C. D.
【参考答案】B
【名师解析】
因为线框各边电阻均匀,ab边进入磁场后,ab相当于电源,则ab两端电势差为路端电压,即
由右手定则判断出感应电流方向沿逆时针方向,则a的电势高于b的电势,Uab为正;线框全部进入磁场后,线框中虽然感应电流为零,但ab两端仍有电势差,且Uab=U0,由右手定则判断可知,a的电势高于b的电势,Uab为正;ab边穿出磁场后,cd边切割磁感线,相当于电源,ab两端电压为
由右手定则知,a点的电势仍高于b的电势,Uab为正。故选B。
2. (2022湖北武汉4月调研) 如图所示,水平面内有一平行金属导轨,导轨光滑且电阻不计,匀强磁场与导轨平面垂直,阻值为R的导体棒垂直于导轨静止放置,且与导轨接触良好。时,将开关S由1掷到2。v,F安,i、E感分别表示棒的速度、棒受到的安培力,棒中的电流和感应电动势,下列图像可能正确的是( )
A. B.
C. D.
【参考答案】B
【名师解析】
将开关S从1掷到2,电容器放电,电路中产生放电电流,根据左手定则,导体棒所受的安培力向右,在安培力的作用下,导体棒向右做加速运动,切割磁感线,产生感应电动势,电容器放电两端电压减小,棒加速感应电动势增大,当电容器两端电压等于感应电动势时,感应电流减小到零,安培力减小到零,导体棒开始做匀速运动。感应电流减小,当电容器两端电压等于感应电动势时,感应电流减小到零,C错误;
感应电流减小,当电容器两端电压等于感应电动势时,感应电流减小到零,安培力减小到零,B正确;
导体棒所受的安培力向右,在安培力的作用下,导体棒向右做加速运动,切割磁感线,产生感应电动势,电容器放电两端电压减小,棒加速感应电动势增大,当电容器两端电压等于感应电动势时,电动势保持不变,感应电动势不是一直增大的,由于加速度减小,则速度的变化率减小,感应电动势的变化率减小,即图像的斜率减小,故D错误;根据牛顿第二定律得,随着电流的减小,棒的加速度减小,速度图像的斜率减小,速度图像是向下弯曲的曲线,不是直线,当电容器两端电压等于感应电动势时,棒做匀速运动,速度图像是水平的直线,A错误。
3. (2022福建龙岩三模)如图所示,在竖直平面内有四条间距均为的水平虚线、、、,在、之间和、之间存在磁感应强度大小相等且方向均垂直纸面向里的匀强磁场。现有一矩形金属线圈,边长为。时刻将其从图示位置(边与重合)由静止释放,边经过磁场边界线时开始做匀速直线运动,边经过磁场边界线、、时对应的时刻分别为、、,整个运动过程线圈平面始终处于竖直平面内。在时间内,线圈的速度、通过线圈横截面的电量、通过线圈的电流i和线圈产生的热量随时间的关系图像可能正确的是( )
A. B. C. D.
【参考答案】BD
【名师解析】
线圈边在、之间的磁场切割磁感线,则有,,
解得,根据牛顿第二定律,可知随着速度的增加,安培力也逐渐增大,加速度逐渐减小,根据题意,边经过磁场边界线时开始做匀速直线运动,说明从时刻到的过程,线圈做加速度减小的加速运动,从到的过程,线圈做加速度为的匀加速直线运动,从到的过程,线圈做匀速直线运动,根据图像的切线斜率表示加速度,可知A错误;从时刻到的过程,线圈做加速度减小的加速运动,线圈中的电流逐渐增大,从到的过程,线圈做加速度为的匀加速直线运动,但此过程线圈没有切割磁感线,感应电流为零,从到的过程,线圈做匀速直线运动,线圈中的电流保持不变,根据图像的切线斜率表示电流,可知B正确,C错误;从时刻到的过程,线圈中的电流逐渐增大,从到的过程,线圈中的电流为零,从到的过程,线圈中的电流保持不变,根据
可知图像的切线斜率表示表示电流的平方,可知D正确;
4. (2022山东聊城重点高中质检)如图所示,水平光滑桌面上有一等边三角形金属线框,c点恰处于方向垂直于桌面向里的匀强磁场的边界上,在拉力F的作用下,线框以恒定速率通过匀强磁场区域,磁场的宽度大于线框的边长,且运动过程中始终与保持平行。在线框从开始进入磁场到完全进入磁场区域的过程中,下列四幅图中可正确反映线框中的感应电流I、热功率P、外力F以及通过线框横截面的电量q随时间t的变化规律的是( )
A. B.
C. D.
【参考答案】AC
【名师解析】
设线框进入磁场时的速度为v,总电阻为R,经过时间t,切割磁感线的导体棒的有效长度
此时的感应电动势,回路中的电流
整理可得
由于I与成正比,图像为一条过坐标原点的倾斜直线,A正确;
热功率,
因此图像为抛物线的一部分,B错误;
线框所受安培力大小
外力F与安培力等大反向,因此外力F与成正比,图像为一条过坐标原点的倾斜直线,C正确;
通过线框横截面的电量
由于q与成正比,图像为一条过坐标原点的倾斜直线,D错误。
5. (2022河北衡水中学一模)如图所示,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为底边长为2a的等腰直角三角形区域,Ⅰ、Ⅲ区域有垂直纸面向外的匀强磁场,Ⅱ区域有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小相等。一边长为a的正方形金属框在纸面内匀速通过磁场,通过磁场过程中正方形的一条边始终保持与等腰直角三角形的底边重合。取金属框中的感应电流顺时针方向为正,金属框通过磁场过程中,下图中能正确描述金属框中感应电流随时间变化关系的是( )
A. B.
C. D.
【参考答案】A
【名师解析】
通过“增反减同”来判断,线框开始进入磁场运动a的过程中,对应时间为0至T,通过线框的磁通量增大,根据楞次定律可判断出感应电流沿顺时针方向,在T时刻,线框中有一半的面积有磁场覆盖,此时对应感应电流大小为I;线框再运动a的过程中,对应时间为T至2T,由于垂直纸面向内磁场的介入,通过线框的磁通量先增大后减小,根据楞次定律可判断出感应电流方向先沿顺时针再沿逆时针,且通过的磁通量达到最大时,感应电流大小为0,在2T时刻,此时线框全被磁场覆盖住,所以此时对应感应电流大小为2I;接着再运动a,对应时间为2T至3T,通过线框的垂直纸面向里的磁通量先增大后减小,当通过磁通量达到最大时,感应电流为0,且根据楞次定律可判断出感应电流先沿逆时针后沿顺时针,且在3T时刻,感应电流大小也为2I;最后在3T至5T时间内,通过线框的垂直纸面向外的磁通量先增大后减小,则感应电流先沿顺时针后沿逆时针,在磁通量达到最大值时,感应电流大小为0,同理在5T时刻,线框中磁场覆盖面积为线框的一半。感应电流大小为I。故选A。
6. (2022江苏南京宁海中学4月模拟)如图所示,两条光滑平行导轨ac和bd水平放置于竖直向下的匀强磁场中,导轨左端接有一平行板电容器C,现给金属棒MN一个水平向右的恒力F,使得金属棒由静止向右运动,下列有关金属棒上的电流随时间变化的图像描述可能正确的是( )
A. B.
C. D.
【参考答案】C
【名师解析】
根据电流的定义
根据牛顿第二定律F-BIL=ma
得,其中
联立得
加速度是定值,所以导体棒做匀加速直线运动,电流,也为恒量。故选C。
7. (2022河南洛阳一模)如图甲所示,菱形导电线框的区域内存在匀强磁场,开始时磁场方向垂直于面向里。若磁场的磁感应强度B按照图乙所示规律变化,则线框中的感应电流(取逆时针方向为正方向)随时间t的变化图象是( )
A. B.
C. D.
【参考答案】A
【名师解析】从0-t1时间内,感应电流的方向为顺时针方向,即负方向;图像的斜率不变,根据
可知感应电动势大小不变,则感应电流大小不变;从t1-t2时间内,感应电流的方向为逆时针方向,即正方向;图像的斜率不变,根据,可知感应电动势大小不变,由闭合电路欧姆定律可知感应电流大小不变;故选A。
8.(2022山东济南重点高中质检)如图甲所示,矩形导线框固定在匀强磁场中,磁场的方向与导线框所在的平面垂直,磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示,规定垂直纸面向里为磁场的正方向,逆时针方向为感应电流i的正方向,水平向右为边所受安培力F的正方向。下图正确的是( )
A. B. C. D.
【参考答案】AD
【名师解析】
内,B增大,增大,由楞次定律可知,感应电流方向是逆时针,为正值,内,B减小,减小,由楞次定律可知,感应电流方向是顺时针,内,B反向增大,感应电流方向为顺时针,均为负值,内,B减小,减小,同理,感应电流方向为逆时针,为正值,A正确,B错误;内,边受安培力方向水平向右,为正值,内,边受安培力方向水平向左,为负值,内,受安培力方向水平向右,为正值,内,边受安培力方向水平向左,为负值,且每一时间段中,I、l不变,B线性变化,则F也是线性变化,D正确,C错误。
9. (2021年高考物理重庆实战猜题卷)一边长为的正三角形金属框静置于光滑绝缘的水平面上,宽度为的有界匀强磁场位于正三角形右侧,边界平行于,如图所示。现用外力沿的中垂线方向拉动线框匀速穿过磁场区域。从顶点a进入磁场开始计时,规定感应电流沿方向为正方向,则金属框穿过磁场的过程中,感应电流随时间变化的图像正确的是( )
A. B.
C. D.
【参考答案】:D
【名师解析】:本题通过三角形金属框穿过磁场的过程考查楞次定律和法拉第电磁感应定律。在时间内,顶点a穿过磁场,由楞次定律判断可知感应电流沿方向,为正方向,金属框有效切割长度均匀增大,由可知感应电动势均匀增大,由可知感应电流均匀增大;在时间内,即顶点a刚出磁场到边刚进磁场的过程中,金属框切割磁感线的有效长度不变,感应电动势不变,感应电流不变,感应电流沿方向,为正方向;在时间内,边进入磁场到从右边界刚出磁场之前的过程中,金属框切割磁感线的有效长度均匀增大,感应电动势均匀增大,感应电流均匀增大,感应电流沿方向,为负方向,故A、B、C错误,D正确。
10. (2021江西南昌一模)如图所示,倒U型等间距光滑导轨倾斜放置,,在中存在垂直导轨平面向下的匀强磁场(图中未画出)。一金属棒从上方静止释放,金属棒向下运动过程中始终与导轨接触良好且与平行,不计导轨电阻,I为金属棒中的电流、q为通过金属棒的电量、U为金属棒两端的电压、P为金属棒中的电功率,若从金属棒刚进入磁场开始计时,它在磁场中运动的过程中,下列图像中不可能正确的有( )
A B. C. D.
【参考答案】AC
【名师解析】
如果电流减小,则表明导体棒在减速运动,受力分析有
随着电流减小,加速度减小。根据闭合电路的欧姆定律得
则有,随着加速度减小,图像的斜率减小。A错误,符合题意;
如果导体棒进入磁场时,安培力与重力分力平衡,则导体棒做匀速直线运动,其电流不变,则根据可知,电量与时间成正比。B正确,不符合题意;
如果路端电压随时间增大,则表明导体棒在加速,受力分析有
随着电压增大,则电流增大,加速度减小。根据闭合电路的欧姆定律得
则有,随着加速度减小,图像的斜率减小。但是计时起点路端电压不可能为零。C错误,符合题意;
如果导体棒进入磁场时,安培力与重力分力平衡,则导体棒做匀速直线运动,其电流不变,则根据可知,金属棒的电功率不变。D正确,不符合题意。
11. (2021江苏常州一模) 如图所示,圆形区域中的匀强磁场磁感应强度B1随时间t的变化关系为B1=kt,k为大于零的常量;边界MN右侧的匀强磁场磁感应强度大小为B2.光滑平行金属导轨左端接一阻值为R的电阻、MN处放置一和导轨接触良好的金属棒,不计导轨和金属棒电阻.t=0时,给金属棒一初速度v0,使其在外力作用下向右匀速运动.回路的总磁通量为Φ、回路的电流为i、电阻R上产生的热量为Q、导体棒受到的外力为F,它们随时间t的变化图象正确的是( )
【参考答案】D
【名师解析】回路的总磁通量为Φ=SB1+ B2Lvt=Skt+ B2Lvt=(Sk+ B2Lv)t,回路中产生的感应电动势E== Sk+ B2Lv,回路的电流为i=E/R=(Sk+ B2Lv)/R,图像AB错误;电阻R上产生的热量为Q=i2Rt,与时间成正比,图像C正确;导体棒受到的外力为F=B2iL,与时间无关,图像D错误。
12.(2020·辽宁大连模拟)有一磁场方向竖直向下,磁感应强度B随时间t的变化关系如图甲所示的匀强磁场。现有如图乙所示的直角三角形导线框abc水平放置,放在匀强磁场中保持静止不动。t=0时刻,磁感应强度B的方向垂直纸面向里,设产生的感应电流i顺时针方向为正、竖直边ab所受安培力F的方向水平向左为正。则下面关于F和i随时间t变化的图象正确的是( )
【参考答案】A
【名师解析】 在0~3 s时间内,磁感应强度的大小随时间线性变化,由法拉第电磁感应定律可知,感应电动势恒定,回路中感应电流恒定, 同时由F=BIl知道,电流恒定,安培力与磁感应强度成正比, 又由楞次定律判断出回路中感应电流的方向应为顺时针方向,即正方向, 在3~4 s时间内,磁感应强度恒定,感应电动势等于零,感应电流为零,安培力等于零,故B、C错误,A正确;0~3 s时间内,磁感应强度的大小随时间线性变化,由法拉第电磁感应定律可知,感应电动势恒定,回路中感应电流恒定,故D错误。
13.(多选)某技术有限公司生产的一款手机无线充电器内部结构示意如图甲所示。假设手机接收线圈获得的电压随时间变化关系如图乙所示,则发射线圈输入的电流随时间变化的关系图象可能是( )
【参考答案】CD
【名师解析】 当手机接收线圈获得的电压为零时,则此时发射线圈的磁通量变化率为零,即it线的切线的斜率为零;同理当手机接收线圈获得的电压为最大时,则此时发射线圈的磁通量变化率为最大,即it线的切线的斜率最大;对比四个图可知,选项C、D正确,A、B错误。
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